玉磨铁路破碎板岩隧道开挖工法优选研究

王庆建

(中铁隧道集团四处有限公司， 南宁 530000)

随着我国铁路交通隧道的快速发展，在施工过程中由地质因素引起的稳定性及安全性问题逐步显现。例如：在玉磨铁路的修建过程中，不可避免的会穿越板岩地带，板岩作为软岩中较常见的一种岩体，由于其抗剪强度低，在施工中受爆破及机械震动而经常发生失稳或变形坍塌，严重影响施工安全、施工进度，进而导致施工成本变大[1-3]。

目前，国内外关于破碎板岩隧道的研究主要有：破碎板岩隧道围岩的受力特性及变形特征[4-7]；复杂围岩隧道施工稳定性、破坏机理以及变形控制技术[8-11]。以上研究主要对板岩隧道的变形破坏机理及部分施工控制技术进行了研究，而对于不同关键施工技术优化方面的研究较少。因此，为了提高破碎板岩地带隧道的施工安全性及稳定性，以玉磨铁路新平隧道依托，对三台阶法、三台阶带仰拱一次开挖法、CD法和CRD法进行优选研究，优选出最佳的施工方案，为玉磨铁路破碎板岩隧道的施工技术提供指导，以期减少或杜绝破碎板岩隧道灾害的发生，保证隧道的正常施工及安全运营。研究成果可为破碎板岩隧道施工技术的发展提供借鉴。

1 研究情况

1.1 玉磨铁路新平隧道概况

1.1.1地质情况

本研究依托于玉磨铁路新平隧道(D1K 46+290～D1K 60+780)。新平隧道穿越岩层主要为远古界前震旦系(Pt1)地层，这套地层岩性较复杂，岩层主要为前震旦系昆阳群绿汁江组 Pt1lz 白云岩夹灰岩，鹅头厂组Pt1e板岩夹灰岩、白云岩，大龙口组Pt1d灰岩、白云岩夹板岩，富良棚组Pt1f凝灰岩、板岩夹砂岩，黑山头组Pt1hs板岩夹砂岩。本段基于新平隧道D1K 58+950～ D1K 59+000段(Ⅴ级围岩)展开有限差分数值模拟研究，掌子面板岩夹砂岩，如图1所示。

图1 掌子面板岩夹砂岩

1.1.2结构设计

此段隧道结构为复合式衬砌，马蹄形断面，跨度为12.82 m，高度为10.56 m。本研究初支主要采用挂网喷射C25混凝土支护，厚度为25 cm，二衬采用C25模筑钢筋混凝土，厚度为50 cm。

1.2 计算情况

1.2.1计算模型

整个模型模拟地层的范围为横向两端取3～5倍洞径(14.72 m)，约60 m，总宽度为120 m；模型高度取3～5倍洞高(14.72 m)，约60 m，隧道底部取3～5倍洞高(14.72 m)，约60 m，竖向总高度为120 m。计算模型的边界条件为：四周施加水平约束，下边界施加垂直约束，地表为自由面。

1.2.2计算参数

以实际勘察资料为依据，隧道计算参数，如表1所示。

表1 计算模型参数

1.2.3施工方案

本段研究根据实际工程情况，拟采用三台阶法、三台阶带仰拱一次开挖法、CD法和CRD法进行优选分析，施工方法示意图，如图2所示。

图2 施工方法示意图

1.2.4测点布置

为了解施工过程中围岩动态信息，据以判断围岩的稳定状态及施工的合理性，在本研究中，将选取拱顶、拱肩、边墙、拱脚以及仰拱等8个控制点，采集坑道周边位移及初期支护结构内部的受力，并计算出拱肩收敛、边墙收敛及拱脚收敛值。测试点布置示意图，如图3所示。

图3 测点布置示意图

2 计算结果分析

2.1 位移分析

2.1.1竖向位移

计算得到的传统三台阶法、三台阶带仰拱一次开挖法、CD法和CRD法的竖向位移云图，如图4所示，仰拱隆起值及最大拱顶沉降值，如表2所示。

图4 竖向位移云图

施工方案仰拱隆起值/mm控制效果/%最大拱顶沉降值/mm控制效果/%传统三台阶法82.45-82.10-三台阶带仰拱一次开挖法57.0230.8465.4420.29CD法33.3059.6175.814.37CRD法70.7314.2164.3321.64

由图4及表2可知，传统三台阶法、三台阶带仰拱一次开挖法、CD法和CRD法的拱顶沉降最大值分别为82.10 mm、65.44 mm、75.81 mm和64.33 mm，相对于传统三台阶法的拱顶沉降控制分别为20.29%、4.37%、21.64%；传统三台阶法、三台阶带仰拱一次开挖法、CD法和CRD法的仰拱隆起最大值分别为82.45 mm、57.02 mm、33.3 mm和70.73 mm，且三台阶带仰拱一次开挖法、CD法和CRD法相对传统三台阶法的仰拱隆起控制分别为30.84%、59.61%、14.21%。由竖向位移可知，三台阶带仰拱一次开挖法和CRD法在拱顶沉降控制方面差别不大，且效果显著，三台阶带仰拱一次开挖法和CD法在控制仰拱隆起方面效果明显，综上可知，三台阶带仰拱一次开挖法在控制结构竖向位移方面效果较好。

2.1.2水平位移

计算得到的传统三台阶法、三台阶带仰拱一次开挖法、CD法和CRD法的水平位移云图，如图5所示，收敛值及最大水平位移值，如表3所示。

图5 水平位移云图

由图5及表3可知，传统三台阶法、三台阶带仰拱一次开挖法、CD法与CRD法的最大水平位移分别为118.45 mm、88.33 mm、60.99 mm、38.70 mm；三台阶带仰拱一次开挖法、CD法与CRD法相对于传统三台阶法的控制效果分别25.43%、48.51%、67.33%。从控制水平位移最大值效果看，3种施工方案均优于传统全断面开挖法，且CRD法效果相对更好。传统三台阶法、三台阶带仰拱一次开挖法、CD法与CRD法的最大收敛值均在下台阶，最大值分别为203.97 mm、166.70 mm、120.86 mm、76.89 mm，三台阶带仰拱一次开挖法、CD法和CRD法相对于传统三台阶法的最大收敛控制效果分别为32.72%、40.74%和62.30%。由此可见，三台阶带仰拱一次开挖法对于控制收敛效果均优于传统三台阶法；CD法与CRD法在控制上台阶收敛上较差，但CRD法上、中、下台阶收敛值普遍较小。综上，从控制隧道结构水平位移看，CRD法的控制效果较好。

表3 收敛值、最大水平位移值及控制效果

2.2 应力分析

2.2.1最大主应力

计算得到的传统三台阶法、三台阶带仰拱一次开挖法、CD法和CRD法的最大主应力云图，如图6所示。

图6 最大主应力云图

由图6可知，传统三台阶法、三台阶带仰拱一次开挖法、CD法、CRD法的最大主应力分别为0.092 MPa、0.054 MPa、0.245 MPa、0.306 MPa，三台阶带仰拱一次开挖法相对于传统三台阶法减小了49.13%，CD法与CRD法出现最大主应力增大的现象。综上可知，在控制结构最大主应力方面，三台阶带仰拱一次开挖法的效果较好。

2.2.2最小主应力

计算得到的传统三台阶法、三台阶带仰拱一次开挖法、CD法和CRD法的最小主应力云图，如图7所示。

图7 最小主应力云图

由图7可知，传统三台阶法、三台阶带仰拱一次开挖法、CD法与CRD法的最小主应力极值分别为-13.90 MPa、-12.20 MPa、-12.72 MPa、14.64 MPa，三台阶带仰拱一次开挖法与CD法相对于传统三台阶法减小了12.23%、8.49%。综上可知，在控制结构最小主应力方面，三台阶带仰拱一次开挖法的效果较好。

3 结论

(1)由拱顶沉降控制效果可知，CRD法的拱顶位移值最小，其次为三台阶带仰拱一次开挖法，且控制效果差别较小，控制效果分别为21.64%、20.29%。在仰拱隆起控制方面，CD法的仰拱隆起值最小，其次为三台阶带仰拱一次开挖法，且控制效果差别较小，控制效果分别为21.64%、20.29%。综上，三台阶带仰拱一次开挖法在控制结构竖向位移方面效果较好。

(2)由水平位移可知，三台阶带仰拱一次开挖法控制水平最大位移值的效果最好，CRD法的控制效果次之，控制效果为分别为88.33%，67.33%；CRD法较其它工法对上台阶收敛的效果较差，但对中、下台阶收敛控制效果最好，分别为61.95%、62.30%。综上，CRD法控制结构水平位移的效果较好。

(3)由主应力可知，三台阶带仰拱一次开挖法的最大主应力、最小主应力均为最小，较传统三台阶法分别减小49.13%、12.23%，即三台阶带仰拱一次开挖法对应力的控制效果最好。

(4)综合位移、应力及施工经济性考虑，建议采用三台阶带仰拱一次开挖法作为施工方案。